Sc在鑄造Al-Si合金中的作用研究進(jìn)展

張冬冬

(中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)有限公司，北京 100097)

鑄造Al-Si合金是鑄造鋁合金中品種最多、用量最大的一類(lèi)合金，約占鋁鑄件產(chǎn)品的85%～90%。鑄造Al-Si合金具有優(yōu)異的鑄造工藝性能、較小的收縮率和熱膨脹系數(shù)、良好的綜合力學(xué)性能等，被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)和汽車(chē)制造工業(yè)，例如戰(zhàn)斗機(jī)的導(dǎo)彈掛架、燃油殼體、汽車(chē)輪轂等[1-3]。

大量研究表明，在鋁合金中添加Sc，有利于改善合金組織和提高性能。例如在Al-Cu-Li合金中添加Sc，合金的晶粒細(xì)化，強(qiáng)度大大提高，塑性明顯改善[4]；在Al-Mg合金中添加Sc，合金晶粒細(xì)化，強(qiáng)度大大提高，并表現(xiàn)出良好的強(qiáng)塑性組合[5]。

在鑄造Al-Si合金中添加Sc，合金的組織得到了改善，性能得到了提高。但Sc的價(jià)格昂貴，應(yīng)該更加有效地利用Sc，充分發(fā)揮Sc在鑄造Al-Si合金中的作用，降低成本。本文作者對(duì)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究進(jìn)行了搜索整理和對(duì)比分析，希望能為以后研究Sc在鑄造Al-Si合金中的作用以及含Sc鑄造Al-Si合金的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用提供參考。

1 Sc單獨(dú)添加對(duì)鑄造Al-Si合金的作用

表1匯總了有關(guān)Sc對(duì)鑄造Al-Si合金作用的研究結(jié)果。

表1 Sc對(duì)鑄造Al-Si合金的作用研究結(jié)果匯總Table 1 Summary of research results on the effect of Sc on Al-Si casting alloys

續(xù)表1

Sc在鑄造Al-Si合金中的主要作用如下：

1)添加Sc的鑄造Al-Si合金流動(dòng)性增加[14]。

2)Sc對(duì)鑄造Al-Si合金中的初生Si的尺寸和形貌沒(méi)有影響[23]；Sc能有效變質(zhì)鑄造Al-Si合金中的共晶Si[6-7]；Sc能形成鑄造Al-Si合金中初生α-Al晶粒的異質(zhì)形核核心，細(xì)化初生α-Al晶粒[8-9]；添加Sc，合金中出現(xiàn)納米Al3Sc顆粒[9, 18]；添加Sc，合金中出現(xiàn)AlSc2Si2金屬間化合物相[6, 18]。

3)添加Sc，由于變質(zhì)共晶Si和細(xì)化晶粒，鑄造Al-Si合金的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率增加[6,9]；由于納米Al3Sc顆粒的存在，鑄造Al-Si合金的熱穩(wěn)定性增加[9]；添加Sc，由于納米Al3Sc顆粒和富Sc的金屬間化合物的出現(xiàn)，鑄造Al-Si合金的蠕變性能增加[13]。

因此，在以后關(guān)于Sc在鑄造Al-Si合金中作用的研究中，如下幾個(gè)方面需要進(jìn)一步研究：

1)優(yōu)異鑄造工藝性能(包括流動(dòng)性和抗熱裂性)是鑄造Al-Si合金能被廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵之一，目前還缺少有關(guān)Sc對(duì)鑄造Al-Si合金鑄造工藝性能影響的系統(tǒng)研究，進(jìn)一步探索隨著Sc含量的變化對(duì)鑄造Al-Si合金鑄造工藝性能的不同影響，從而揭示Sc的臨界含量值。

2)Sc能有效變質(zhì)共晶Si，但是目前的研究中有關(guān)Sc變質(zhì)共晶Si的機(jī)制還沒(méi)有一致的認(rèn)識(shí)和理解[8,11-22]，需要進(jìn)一步系統(tǒng)深入的研究。

3) Sc能改善鑄造Al-Si合金的組織和提高合金的性能，但目前的研究中有關(guān)Sc最佳添加量的研究較少，甚至對(duì)于同一種合金，在不同的研究中Sc的最佳添加量也不同[8,18]。其原因可能是在合金鑄錠凝固過(guò)程中的凝固速率不同，因此需要進(jìn)一步研究Sc的最佳添加量、合金成分(如Si含量)和凝固速率三者之間的關(guān)系，以有利于充分發(fā)揮Sc在鑄造Al-Si合金中的有益作用。

2 Sc與其他元素聯(lián)合添加對(duì)鑄造Al-Si合金的作用

Sc能改善鑄造Al-Si合金的組織和提高合金的性能。但Sc的價(jià)格昂貴，工業(yè)化應(yīng)用成本較高，因此研究Sc與其他元素聯(lián)合添加對(duì)鑄造Al-Si合金組織和性能的作用，以期能用其他元素代替部分Sc，在不降低對(duì)鑄造Al-Si合金組織和性能改善效果的前提下減少Sc的用量，降低生產(chǎn)成本。表2匯總了有關(guān)Sc和其他元素聯(lián)合添加在鑄造Al-Si合金中作用的研究結(jié)果。

Sc和其他元素聯(lián)合添加在鑄造Al-Si合金中的作用主要為如下幾方面：

1)聯(lián)合添加Sc和某些元素，能增加Sc在鑄造Al-Si合金中的有益化效果，如聯(lián)合添加Sc和Zr，形成Al3(Sc1-xZrx)為晶粒異質(zhì)形核核心，晶粒細(xì)化效率增加[26-27]，聯(lián)合添加Sc和Cu，形成θ′-Al2Cu析出相和Al3Sc顆粒，鑄造Al-Si合金的拉伸性能增加等[29]。

2)聯(lián)合添加Sc和某些元素，會(huì)減弱Sc在鑄造Al-Si合金中的有益化效果，如聯(lián)合添加Sc和Zr，共晶Si的變質(zhì)效果逐漸變差[26]。

因此，在以后有關(guān)Sc與其他元素聯(lián)合添加在鑄造Al-Si合金中作用的研究中，還有如下幾個(gè)方面需要注意：

表2 Sc和其他元素聯(lián)合添加對(duì)鑄造Al-Si合金中的作用研究結(jié)果匯總Table 2 Summary of research results on the effect of Sc combined with other elements in Al-Si casting alloys

1)鑄造Al-Si合金的組織包括初生α-Al晶粒、初生Si、共晶Si、析出相、雜質(zhì)相如含鐵相等，在以后研究Sc與其他元素聯(lián)合添加在鑄造Al-Si合金中的作用時(shí)，可以根據(jù)組織進(jìn)行分類(lèi)研究，如Sc與細(xì)化初生α-Al晶粒的元素、Sc與變質(zhì)共晶Si的元素等，提高研究效率，增加研究結(jié)果的可參考性。

2)目前不同的研究中還存在一些不同的結(jié)果，造成這些不同結(jié)果出現(xiàn)的原因還需要進(jìn)一步探究。比如在有的研究中發(fā)現(xiàn)Sc與Zr聯(lián)合添加，共晶Si變質(zhì)效果變差[26]，也有研究表明Al3(Sc1-xZrx)金屬間化合物能夠阻礙共晶Si生長(zhǎng)，從而變質(zhì)共晶Si[27]。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了更加有效地利用Sc，并為以后研究Sc在鑄造Al-Si合金中的作用以及含Sc鑄造Al-Si合金的工業(yè)化生產(chǎn)與應(yīng)用提供參考，本文對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和對(duì)比分析。

1) Sc能改善鑄造Al-Si合金的組織，如細(xì)化初生α-Al晶粒、變質(zhì)共晶Si、增加析出相等，能有效提高合金的性能，如抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、高溫性能等。

2)在未來(lái)研究Sc在鑄造Al-Si合金中的作用時(shí)，需要進(jìn)一步研究Sc對(duì)鑄造Al-Si合金鑄造工藝性能的影響，研究Sc變質(zhì)共晶Si的機(jī)制，研究Sc的最佳添加量、合金成分(如Si含量)和凝固速率三者之間的關(guān)系。在研究Sc與其他元素聯(lián)合添加在鑄造Al-Si合金中的作用時(shí)，建議將其他元素根據(jù)鑄造Al-Si組織進(jìn)行分類(lèi)研究，以提高研究效率。